活塞杆密封性能及寿命直接决定了斯特林发动机的使用效率及功率。盖封密封件是斯特林发动机活塞杆密封装置的重要组成部分,其在满足服役工况所提出的高压、高速、高温及无油润滑等条件的同时,需要实现低摩擦功耗及长使用寿命,故密封件的材料选择及结构设计尤为重要。目前盖封密封件存在性能低、寿命短的问题,严重影响了斯特林发动机的可靠性、极限性及稳定性。开展盖封密封件的延寿设计,对斯特林发动机的应用及发展有重要意义。本文以延长斯特林发动机活塞杆盖封密封件服役寿命为目标,按照层层递进关系,采用理论分析和试验研究相结合的方法,首先研制耐磨自润滑密封件材料;在此基础上,研究密封服役工况对材料摩擦磨损特性的影响规律,建立材料摩擦磨损模型;依据所得参数及模型,提出多场耦合下密封动态数值模拟方法,研究密封件在不同工况下的寿命变化规律;基于建立的模拟方法,研究结构参数对密封件性能及寿命的影响规律,进行结构参数多目标优化设计;最后对所得研究结论进行试验验证。本文主要内容及研究成果如下:(1)从原理上分析了盖封密封件的主要失效形式包括过量磨损现象、热堆积失效及形变与破坏。研制了PPS、纳米氧化铝、纳米氧化锆及纳米碳化锆改性增强的四种PTFE基复合材料。考察了复合材料基础力学、热学、摩擦学性能及增强相的增强机理。发现纳米颗粒能有效增强材料的硬度、导热性能及摩擦磨损性能,且对摩擦转移起到机械加强作用,并促进摩擦转移膜的化学吸附。采用基于半梯型分布隶属度函数及层次分析法的模糊综合评价方法,优选出了最佳密封件材料,该材料由PTFE、PPS及纳米氧化锆组成。(2)搭建了高温摩擦磨损试验装置,研究了高温下载荷及速度对密封件材料摩擦系数、磨损率、磨损机理及自润滑特性的影响规律。进而揭示出载荷及速度的增加增强了材料自润滑性,但进一步提升后会对转移膜形成严重刮擦或剥蚀,导致材料摩擦磨损性能显著降低。提出了一种改进灰狼算法优化最小二乘支持向量机参数的方法,依据经典摩擦磨损理论及试验结果,建立了密封件材料摩擦系数及磨损率的回归模型。(3)基于盖封密封功能需求及密封结构设计准则,设计了组合结构的CL盖封密封件。提出了结合有限元技术及修正的Archard磨损模型的密封热-应力-磨损耦合动态数值模拟方法,并将材料参数及磨损模型植入计算中,模拟了密封件的运行过程,考察了密封件等效结构应力、密封接触特性、表面温升及磨痕的变化规律。结果表明:静压状态下,密封接触压力与结构应力有相同的变化规律;往复运行时,外行程内易发生密封失效;磨损过程中,密封接触面底部随时间推移会出现明显应力集中;工质压力对密封件性能及寿命的影响强于活塞杆往复速度的影响。(4)研究了磨损过程中结构参数对密封件性能及寿命的影响规律,并以密封件寿命最长和综合密封性能最佳为目标,采用中心复合响应面设计法和非支配排序遗传算法NSAG-II相结合的策略,进行了结构参数的多目标优化设计。结果表明:优化后密封件的使用寿命及综合性能均得到了提高。(5)搭建了斯特林活塞杆密封试验台及磨痕检测装置,试验验证了延寿设计结果的正确性。结果表明:本文所研制及设计的密封件材料及结构的磨损量明显低于原密封件,C形环内表面磨痕分布及整体衍变趋势实测值与数值仿真结果较为一致,经过结构优化设计后的CL密封件的密封压降较之前显著降低,使用CL密封件的活塞杆密封组件工质泄漏量减少了30%。本文的研究内容和取得的成果将为斯特林发动机活塞杆盖封密封件的设计、使用及进一步研究提供重要的试验依据及理论支持。